搞物理研究的都知道,有些東西理論上說得天花亂墜,實驗里卻怎么都找不到。萊斯大學的幾個教授這回算是走了大運,他們要找的東西,居然真的被找到了。
這事得從一種叫CsCr?Sb?的材料說起。這玩意屬于kagome金屬,kagome是個日文詞,就是編籃子時那種三角形套三角形的圖案。別小看這個圖案,它可能藏著未來科技的秘密。
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十幾年前就有理論物理學家預測,如果原子能按照這種方式排列,電子就會在材料里形成一些特別的結構,叫"平帶"。簡單說就是電子不再到處亂跑,而是老老實實排成駐波的樣子。一旦這樣,整個材料的性質就會發生巨變,什么超導啊、磁性啊,統統可能被激活。
問題是這種平帶太難找了,就像大海撈針一樣。
不過萊斯大學的戴鵬程、易明、司奇邈三個教授,這次還真把針給撈著了。他們和臺灣同步輻射中心的黃迪靖合作,用兩臺精密設備一頓操作,硬是把這些傳說中的平帶給拍了下來。
"說實話,當數據出來的時候我們都愣了,"戴鵬程回憶說,"這么清晰的結果,在我們這行里真的很少見。"
更厲害的是,他們發現這些平帶不是擺設,而是在實實在在地影響材料性質。這意味著什么呢?如果我們學會了控制這些平帶,就等于掌握了制造全新材料的方法。
想想看,室溫超導體、零能耗電子器件、完美的量子計算材料,這些以前只能在科幻片里看到的東西,可能真的要成現實了。
"我們其實是在證明一件事,"易明說,"材料的形狀和結構,可以像工程師手里的工具一樣,用來控制電子的行為。"
這個研究最難的地方,其實是怎么做出足夠好的樣品。研究生王澤浩為了這個,不知道熬了多少個通宵,最后做出來的單晶比以前的大了整整100倍。沒有這么完美的樣品,再好的設備也白搭。
"搞科學就是這樣,"參與研究的郭宇誠感慨,"做材料的、搞實驗的、搞理論的,缺了哪一塊都不行。這次能成功,真是各個環節都配合得恰到好處。"
現在這個團隊已經開始琢磨下一步了。既然kagome結構這么神奇,那其他的幾何圖案會不會也有類似效果?能不能通過調整化學成分來精確控制這些量子性質?
如果說以前設計材料全憑運氣和經驗,那現在我們終于找到了一些規律。這可能是材料科學史上的一個重要轉折點。
(參考:Zehao Wang et al, Spin excitations and flat electronic bands in a Cr-based kagome superconductor,Nature Communications(2025). DOI: 10.1038/s41467-025-62298-5)
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